Теплові процеси в шкірі людини при опроміненні світлодіодами

  • Н. Г. Кокодий
  • В. А. Тиманюк
  • А. М. Коробов
Ключові слова: Шкіра людини, теплові процеси, світлодіодне випромінювання.

Анотація

Фундаментальні дослідження вже давно показали перспективність і високу результативність використання випромінювання видимого діапазону спектра на біологічні об’єкти. Одним із чинників впливу від джерела випромінювання є тепло. Ми в цій статті оглядово розглянемо теплові процеси в шкірі людини при опроміненні та проаналізуємо вплив швидкості кровотоку в системі кровообігу на нагрів ділянки шкіри і підшкірних шарів, що опромінюються. Як джерело випромінювання розглядається світлодіод.

Математична модель. У літературі, присвяченій проблемі впливу електромагнітного випромінювання можна зустріти опис різних моделей будови шкіри людини (семишарова і тришарова).

У наших дослідженнях використовувалась тришарова модель, згідно з якою в шкірі виділяються три частини. Верхня частина - епідерміс - являє собою багатошаровий епітелій, зовнішній шар якого - роговий. Товщина епідермісу - від 0,02 мм до 2,4 мм в різних частинах тіла. Нижній шар епідермісу лежить на базальній мембрані. У ній знаходяться клітини-меланоцити, що захищають шкіру від шкідливого впливу сонячних променів. Внутрішня шкіра - дерма - має товщину від 0,5 мм до 5 мм. У ній розташовуються кровоносні судини.

Була вирішена теплова задача про нагрів напівнескінченного тіла випромінюванням світлодіодів, що проникає в тіло на деяку глибину. Враховується, що всередині тіла знаходяться кровоносні суди- ни. Відведення тепла, викликаного поглинанням випромінювання, визначається швидкістю кровото- ку. Незважаючи на простоту цієї моделі, з її допомогою отримані дані, що дозволили сформулювати деякі рекомендації, які стосуються режиму опромінення тканини світлодіодами.

Важливу роль відіграє глибина проникнення випромінювання в біотканини. Вона збільшується зі збільшенням довжини хвилі випромінювання. Так, глибина проникнення випромінювання від ультрафіолетової до помаранчевої частини оптичного спектра поступово збільшується  від 1-20 мкм до 2,5 мм, з різким збільшенням глибини проникнення в червоній частині (до 20-30 мм) . Короткохвильове інфрачервоне випромінювання з довжинами хвиль від 0,76 до 1,5 мкм відносно поглинається біологічними тканинами, і тому проникає в них глибоко (до 3-7 см).

В експериментах використовувалися червоні світлодіоди. Товщина епідермісу прийнята рівною 0,6 мм, коефіцієнт поглинання червоного світла в ньому дорівнює 3,5 мм-1. Частка енергії, що поглинається в цьому шарі, мала, тому наявність шару можна не враховувати, а вважати тканину однорідним тілом.

Розрахунки. При розрахунках були використані наступні дані про теплофізичних параметрах шкіри: k = 0,5 Вт / (м град), с = 3500 Дж / (кг град), ρ = 1100 кг/м3, ρ = 1060 кг/м3.

Щільність кровотоку в судинах дерми f дорівнює 15 мл/(хв·100 г). В одиницях СІ  f = 2,5×10-6 м3/(кг·с).

Джерело випромінювання – світлодіод з апертурою діаметром 5 мм.   Потужність випромінювання – 10 мВт, максимум випромінювання - на довжині хвилі 630 нм. Інтенсивність випромінювання I виходить рівною 500 Вт/м2. Глибина проникнення випромінювання червоної ділянки оптичного діапазону спектра δ=10 мм.

Висновки. При опроміненні шкіри людини світлодіодами її нагрівання сильно залежить від швидкості кровотоку в тканинах, які опромінюють. Навіть при невеликій потужності (10 мВт) нагрів може досягати 50 оС, якщо кровообіг утруднений (наприклад, при контактному опроміненні з компресією). При такому нагріванні може спостерігатися почервоніння шкіри і навіть опік.

Завантаження

Дані завантаження ще не доступні.

Посилання

1.Сетейкин А.Ю. Модель расчета температурных полей, возникающих при воздействии лазерного излуче- ния на многослойную биоткань // оптический журнал. – 2005. – Т.72, №7. – С.42-47.

2.Dolotov L.T., Sinichkin Yu.P., Tuchin V.V., Uts S.R., Altshuler G.B., Yaroslavsry I.V. Design and evaluation of a novel portable eruthema-melanin-meter // Laser in Surgay and Medicine. – 2004. – Vol.34. – P.127-135/

3.Пушкарева А.Е. Методы математического моде- лирования в оптике биоткани: учебное пособие. СПб: СПбГУИТМО, 2008. – 103 с.

4.Астафьева Л.Г., Желтов Г.И., Рубанов А.С. Моделирование процесса нагрева сосудов крови лазерным излучением // Оптика и cпектроскопия. – 2001. – Т.90, №2. – С.287-292.

5.Smithies D.,J., Butler P.H. Modelling the distribution of laser light in port-wine stains with the Monte Carlo method
// Physics in Medicine and Biology. – 1995. – Vol. 40. – P. 701-733.

6.Valvano J.W. Tissue thermal properties and perfusion
// Optical-thermal response of laser-irradiated tissue / Ed. by Welch A.J. and van Gemert M.J.C. – N.Y., 1995. – P. 445-488.

7.Лыков А.В. Теория теплопроводности. – М.: Выс- шая школа, 1967. – 600 с
Опубліковано
2017-05-05
Як цитувати
Кокодий, Н., Тиманюк, В., & Коробов, А. (2017). Теплові процеси в шкірі людини при опроміненні світлодіодами. Фотобіологія та фотомедицина, 13(1, 2), 107-113. Retrieved із https://periodicals.karazin.ua/photomedicine/article/view/8541
Розділ
Фізико-технічні основи фотобіології та фотомедицини

Найбільш популярні статті цього автора (авторів)